某鎢礦斜井提升鋼絲繩斷繩事故的原因分析及對策

劉立新

（江西華安安全生產(chǎn)檢測檢驗中心，江西 贛州 341000）

斜井串車提升擔負著運輸?shù)V石、人員、材料的繁重任務(wù)，是鎢礦山常用的提升方式，具有設(shè)備簡單、管理簡便等優(yōu)點。在生產(chǎn)實踐中，斜井斷繩事故時有發(fā)生，往往造成生產(chǎn)停頓、設(shè)施破壞、人員傷亡等嚴重后果。2011年5～6月，某鎢礦公司連續(xù)發(fā)生兩起斜井斷繩跑車事故，雖然沒有人員傷亡，卻毀壞了井筒和沿巷的電纜、風管、水管等設(shè)施。斷繩跑車現(xiàn)象應(yīng)當引起地下礦山企業(yè)的高度重視。本文著重討論某鎢礦山斜井提升斷繩的原因，并提出相應(yīng)對策。

1 某鎢礦斜井提升系統(tǒng)概況及斷繩事故經(jīng)過

某鎢礦斜井提升系統(tǒng)采用串車提升，由3個0.75m3的U形礦車組成一組，提升設(shè)備為JTP1.6型提升絞車，卷筒直徑1.6m，卷筒寬度1.2m，采用盤形制動閘制動，提升絞車液壓站運行時的工作油壓為5.1MPa，最大靜張力45 000N，最大提升速度3.32m/s，井筒傾角25°，提升距離412m，提升鋼絲繩型號6V×21+7FC，直徑20mm，有礦用產(chǎn)品安全標志，且為重要用途鋼絲繩，鋼絲繩中所有鋼絲破斷拉力總和為233 000N。鋼絲繩已使用8個月。

2011年5月26日，該斜井提礦上行至距井口16m左右（270m標高），提升絞車緊急制動，串車組（3個0.75m3的U形礦車）在慣性作用下先減速上行一小段距離后，在重力作用下反向自溜，鋼絲繩突然受沖擊力的作用，導(dǎo)致在距離繩頭3m的位置斷裂，串車組沿軌道順勢下滑大約到190m標高處礦車出軌向下翻滾，最后墜毀在斜井底部。該起事故未造成人員傷亡，事故直接經(jīng)濟損失12400元，停產(chǎn)一周。

2 事故的原因分析

斜井提升的斷繩跑車事故多發(fā)生在重載上提且提升設(shè)備突然緊急制動之時。在上提串車緊急制動時，若提升設(shè)備的制動減速度azj大于重串車的自然減速度Ac，鋼絲繩將出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。

在求出提升絞車的緊急制動減速度azj之前，先分析提升絞車的實際工作最大制動力矩Mz、所承受的最大靜阻力矩Mj、提升系統(tǒng)總變位重量∑M等概念。

2.1 實際工作最大制動力矩

根據(jù)最大制動力矩與系統(tǒng)最大油壓成正比的關(guān)系原理，再考慮各盤閘的內(nèi)部阻力，提升絞車制動系統(tǒng)實際需要的工作油壓Pm可以按下式計算［1］：

式中：Mz為提升絞車實際工作最大制動力矩，Nm；Mc為提升絞車設(shè)計最大制動力矩，Nm；Pc為與Mc相對應(yīng)的提升絞車設(shè)計油壓值，Pa；C制動盤閘為保證必要的閘瓦間隙，克服各種阻力以及殘壓之和，折算成油壓值C=P1+P2+P3=2.06MPa；P1為保證全松閘時的閘瓦間隙所需油壓，P1≈0.9MPa；P2為油缸密封圈、彈簧阻力所折算的油壓值，P2≈0.66MPa；P3為最低工作油壓，即系統(tǒng)殘壓，P3≈0.5MPa，則提升絞車實際工作最大制動力矩為：將Pm=5.1MPa，C=2.06MPa，Pc=3.02MPa，Mc=117.46KNm代入式（2），可得Mz=118.238KNm（查該型提升絞車的盤形制動器的技術(shù)參數(shù)可知Pc、Mc之值）。

2.2 最大靜阻力矩

在重串車上提時，提升絞車所承受的最大靜阻力矩Mj可由式（3）計算［2］：

式中：k為一次提升的礦車數(shù)，k=3；G為礦車裝載重量，N，G=10000N；G0為礦車自身重量，N，G0=5000N；α為斜井傾角，α=25°；ω1為串車沿軌道運行時的阻力系數(shù)，ω1=0.01～0.015；ω2為鋼絲繩運行時的阻力系數(shù)，ω2=0.2；p為鋼絲繩單位長度重量，N/m，p=14.9N/m［3］；L為提升斜長，m，L=412m；D為提升絞車卷筒直徑，m，D=1.6m。

代入上述參數(shù)至式（3），可得Mj=18 506Nm。

2.3 提升系統(tǒng)總變位質(zhì)量

提升系統(tǒng)總變位質(zhì)量∑M為：

式中：n為主繩數(shù)，n=1；Lp為主繩全長，m，Lp=450m；Gj為提升絞車的變位重量，N，Gj=54 200N；Gd為電動機轉(zhuǎn)子的變位重量，N，Gd=99 000N。

代入上述參數(shù)至式（4），可得∑M=20 908kg。可求得上提重載時，提升絞車緊急制動減速度azj［4］：

上提重載緊急制動過程中，重串車沿傾斜巷道上沖的自然減速度Ac為：

由計算結(jié)果可知，azj＞Ac，即提升絞車的制動減速度大于重串車的自然減速度，這勢必會有一部分鋼絲繩松弛并落在礦車前面或軌道上，導(dǎo)致鋼絲繩被碾壓損傷。特別要指出的是，即使提升絞車停止了運轉(zhuǎn)，重串車仍會在慣性的作用下上沖一段距離，速度至零后又在其重力的作用下向下加速滑行，再次把鋼絲繩拉緊，此時，鋼絲繩將受到很大的沖擊力的作用。

2.4 鋼絲繩的松繩量

提升絞車產(chǎn)生制動效果后，其收繩量s1為：

式中，vm是提升絞車的最大運行速度。

提升絞車緊急制動后，重載串車沿軌道上沖的距離s2為：

所以，鋼絲繩的實際松繩長度為：

2.5 鋼絲繩所受的沖擊力

在重串車沖擊鋼絲繩的過程中，系統(tǒng)將產(chǎn)生各種能量，主要包括鋼絲繩拉緊瞬間重車的動能，Ed；重串車相對于鋼絲繩最大變形位置時的位能，Ew；重串車沖擊鋼絲繩其產(chǎn)生最大彈性變形時的彈性勢能，Et；重串車克服軌道運行阻力所做的功，W。

根據(jù)能量守恒定律，上述能量類型有如下關(guān)系：

式中：

式中：Fc為松繩時對鋼絲繩產(chǎn)生的沖擊力，kg；L0為提升容器至提升絞車卷筒與鋼絲繩相切處的長度，即筒外長度，L0=30+16=46m（提升絞車距離斜井口30m）；E為鋼絲繩的彈性模量，取E=1.2×106kg/cm2［6］；A為鋼絲繩的橫截面積，取A=1.9 386cm2。

將式（11）、（12）、（13）、（14）代入式（10），可以求得重串車作用在鋼絲繩上的沖擊力Fc：

進一步化簡上式，得到：

式中：G′為鋼絲繩繩端荷重，G′=k（G+G0）（sinα-ω1cosα）=1 841kg。

由式（15）可知，當提升系統(tǒng)各參數(shù)已定時，上提重串車緊急制動后產(chǎn)生松繩現(xiàn)象，重串車對鋼絲繩的沖擊力Fc與松繩長度s成正比，與筒外長度L0成反比，特別要指出的是，當提升重串車到達井口減速點時，提升絞車緊急制動產(chǎn)生的沖擊力最大、最危險。

本例中，在重串車到達離井口16m的位置（即斷繩處）提升絞車緊急制動，松繩對鋼絲繩產(chǎn)生的沖擊力由式（15）可得Fc=12 570kg=123 186N，按新鋼絲繩的破斷力233 000N考慮，此時鋼絲繩的安全系數(shù)為1.89，比《GB16423-2006金屬非金屬礦山安全規(guī)程》（下簡稱《規(guī)程》）規(guī)定的安全系數(shù)6.5要小得多，提升系統(tǒng)已處于很不安全狀態(tài)，況且已使用8個月的鋼絲繩必定會出現(xiàn)斷絲、磨損及銹蝕，破斷力下降，此時突遇重載串車緊急制動，在其慣性力的作用下，繼續(xù)向上沖行一段距離，又由于重力的作用向下加速滑行，下滑時把鋼絲繩猛然拉緊，鋼絲繩受到的沖擊力最大，無疑會發(fā)生斷繩跑車事故。

3 對策與建議

（1）由式（1）可知，為了防止斜井提升斷繩跑車事故的發(fā)生，提升絞車應(yīng)當合理設(shè)置液壓系統(tǒng)的油壓，油壓不是越大越好。系統(tǒng)的油壓設(shè)定應(yīng)當滿足《規(guī)程》之6.3.5.18和6.3.5.17兩條款的要求。

（2）采用二級制動方式，分級施加制動力矩，可避免松繩現(xiàn)象的發(fā)生，保證制動安全可靠。一級制動產(chǎn)生的減速度小于重串車上滑自然減速度，當系統(tǒng)速度降到很小或為零時，再施加第二級制動力矩。

（3）適當延長制動的空動時間［7］。對于斜井提升，如果空動時間太短，保險制動力矩太大，會使制動減速度大于上提重載的自然減速度，導(dǎo)致松繩現(xiàn)象的發(fā)生。為了避免松繩造成沖擊斷繩跑車，可通過整定時間繼電器，增加空動時間來實現(xiàn)。

（4）從式（15）可以看出，松繩長度s越大，沖擊力Fc也越大；筒外繩長L0越長，沖擊力Fc越小。當松繩長度一定時，沖擊力最大點是在斜井的變坡點處。根據(jù)這一原理，要避免產(chǎn)生過大的沖擊力，應(yīng)設(shè)法采用托繩裝置，使鋼絲繩在井口松弛長度盡可能減小，另外，在新安裝或改造斜井提升系統(tǒng)時，盡可能加長絞車到井口變坡點的距離。

（5）由式（7）、（8）、（9）可知鋼絲繩的松繩量與提升速度有關(guān)，在井口附近應(yīng)盡量采用慢速運行。在進行斜井提升設(shè)計或改造時，必須保證選擇的提升速度小于《規(guī)程》規(guī)定的最大值。

（6）切實做好鋼絲繩的選用與維護。礦井提升必須使用具有礦用產(chǎn)品安全標志的重要用途鋼絲繩，選用鋼絲繩時應(yīng)當根據(jù)其不同的使用條件，從用途類別、結(jié)構(gòu)工藝、參數(shù)計算等方面科學合理地選擇提升鋼絲繩［8］。除正確選擇鋼絲繩外，還應(yīng)搞好在役提升鋼絲繩的日常維護，發(fā)現(xiàn)斷絲、徑縮、銹蝕超過《規(guī)程》規(guī)定時，要立即更換。

（7）經(jīng)常性地開展安全標準化檢查，對井口設(shè)施進行維護和完善。斜井提升必須在離變坡點20m左右設(shè)置有效的常閉式防車裝置。定期整頓清理井筒及軌道，裝齊地輥，以減少提升鋼絲繩的磨損、減少鋼絲繩的運行阻力，提高其使用壽命。

（8）做好液壓站和盤形制動器的日常維護，使其處于完好狀態(tài)，尤其是制動盤上不允許有油污、水滴等不良介質(zhì)。

（9）不超負荷運行，控制一次提升車數(shù)。

（10）經(jīng)常性地對提升設(shè)備的維修工、操作工開展職業(yè)技能培訓(xùn)，使受訓(xùn)者對提升設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)、工作原理、運行維護、常見故障分析處理、管理制度等知識做到“應(yīng)知應(yīng)會”。

［1］夏榮海，郝玉琛.礦井提升機械設(shè)備［M］.徐州：中國礦業(yè)學院出版社，1987：132-133.

［2］洪曉華.礦井運輸提升［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2000：251-255.

［3］張德英，邢永晟，房義萍，等.GB8918-2006重要用途鋼絲繩［S］.北京：中國標準出版社，2006：30.

［4］陳維健，齊秀麗.礦井運輸及提升設(shè)備［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1989：178-180.

［5］劉鴻文.材料力學：下冊［M］.北京：高等教育出版社，1983：1-3.

［6］張質(zhì)文.起重機設(shè)計手冊［M］.北京：中國鐵道工業(yè)出版社，1998：196.

［7］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GB16423—2006金屬非金屬礦山安全規(guī)程［S］.北京：中國標準出版社，2006：47.

［8］劉立新.新安全體系下小型鎢礦山主提升設(shè)備的選擇［J］.中國鎢業(yè)，2010，（3）：41-45.